纤维缠绕等张力封头形状设计

• 作 者: 石振峰
• 机 构: 西安理工大学
• 出 处: 西安理工大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 非测地线 等张力封头 滑线系数 子午线形状 性能因子 形状因子

纤维缠绕压力容器具有比强度高、比模量大、可设计性好、质量轻、耐腐蚀等特点，在航空、航天、化工、能源以及体育运动等领域均有广泛应用，尤其在重量强度比较敏感的部门如火箭发动机壳体、导弹、航天飞机和卫星运载系统等，更显示出了其优越性。纤维缠绕复合材料压力容器一般包括圆筒部分和封头部分，而其更容易在封头部分破坏，所以在纤维缠绕复合材料压力容器的设计中封头部分的设计是首先要考虑的问题。　　
本文的目的是基于非测地线缠绕轨迹对纤维缠绕等张力封头进行形状设计。定义滑线系数λ=kg/kn，运用微分几何理论导出了一般回转壳上的非测地线方程；考虑回转壳曲面上纤维微元的力平衡，得到了纤维缠绕稳定方程；以等张力条件为约束，进一步推导了等张力封头子午线形状控制方程以及纤维在等张力封头上的非测地线缠绕轨迹方程。数值计算得到了一系列等张力封头形状以及纤维缠绕轨迹。在此基础上，进一步推导了等张力封头的性能因子以及形状因子，通过数值积分得到了给定极孔半径，测地线和非测地线缠绕情况下的等张力封头的形状因子；比较分析了测地线和非测地线情况下等张力封头的结构性能，结果表明，非测地线缠绕轨迹增加了等张力封头的设计空间，通过改变滑移系数λ可以得到可设计的封头形状，在给定的初始条件和约束条件下，选择合适的滑线系数，可以得到满足结构性能的非测地线缠绕等张力封头。该方法为纤维缠绕等张力封头的设计提供理论基础。